基于物联网技术智慧水产养殖系统的研究设计

冼锂东，龙祖连

（广西水利电力职业技术学院，广西 南宁 530023）

0 引 言

我国作为粮食消费大国，解决粮食短缺问题一直是社会关注的焦点。科技是第一生产力，想要解决粮食短缺问题，必须依靠科技创新推动粮食生产和发展。物联网技术应用已经渗透在生活和生产中的各个方面，例如：智慧家居、智慧医疗、智慧电力、智慧城市以及工业物联网等概念都是基于物联网技术提出的，并且随着5G通信技术的发展应用，又将会给物联网技术发展带来新的变革。在水产养殖方面亦是如此，首先，传统的水产养殖模式需要大量的劳动力投入；其次，传统的水产养殖模式在养殖水产品的过程中，水质污染问题不能及时得到解决，使水产品生长发育受到严重威胁；再次，在传统的水产养殖模式中，存在养殖户未能及时掌握水体环境各项数据是否适合水产品生长等一系列弊端。现基于物联网技术设计的智慧水产养殖系统着重解决以上传统水产养殖模式下存在的问题，并且物联网技术在水产养殖方面的应用必定会为水产养殖开创新的养殖模式。

1 物联网智慧水产养殖系统的总体架构

本系统采用ZigBee无线通信技术，主控芯片采用TI研发的专用于无线传感网络，型号为CC2530F256的集成芯片，让每个控制设备或者传感器与单个ZigBee模块连接，构成一个数据处理控制节点，形成多个节点联接，构成局域群体式无线通信网，并通过加入无线网络WiFi将数据信息传输到OneNET物联网云平台，养殖户可以通过电脑或者手机远程实时观察数据和控制设备。另外，在系统中增加OLED串口触摸屏模块，将水体的温度、液体高度、浑浊度、pH值、溶氧量和降雨量数据进行直观显示，实现人机交互控制和物联网智慧水产养殖系统局域自动检测控制及远程控制功能。

本系统功能主要包括两大方面，一方面为数据采集部分，另一方面为控制设备动作部分。其中，数据采集单元主要包括水体温度数据、水位高度数据、水体浑浊度数据、水体氧气含量数据、雨量检测数据、pH值检测数据。控制设备动作单元主要包括抽水换水单元、投食单元、水体消毒单元、淤泥清除单元、夜光照明单元、水体增氧单元。物联网智慧水产养殖系统架构如图1所示。

图1 物联网智慧水产养殖系统架构

2 系统硬件设计及设备器件选型

2.1 主控单元模块设计

本系统采用CC2530F256集成芯片作为ZigBee模块数据处理和控制中心。CC2530F256芯片内核由一个8位单周期增强型8051CPU构成，拥有多达18个中断源，内置256 KB非易失性程序存储器，具有不同的运行模式，且切换时间短，适应超低功耗的要求，外设资源丰富，具有强大的5通道DMA，IEEE802.5.4MAC定时器和通用定时器，8路输入可配置12位ADC，以及2个支持多种串行通信协议的USART，21个通用I/O引脚，电池监视器，温度传感器，看门狗定时器等片上外设资源。综合以上功能，CC2530F256集成芯片完全能够满足系统的设计要求。芯片典型应用电路如图2所示。

图2 CC2530典型应用电路

2.2 温度数据采集控制模块设计

本系统使用DS18B20数字温度传感器对水体温度进行实时监测。DS18B20温度传感器具有体积小、抗干扰能力强、精度高、电路接线简单、硬件开销低等优势，可以根据不同测试环境的测温需要封装其外观，因此DS18B20温度传感器能够适应多种环境条件下的温度监测，包括水环境温度监测。DS18B20温度传感器将采集的温度数据传送给ZigBee模块和终端控制单元，经过数据处理分析后，相应的控制器采取对应温度调节措施，保证水环境温度稳定。DS18B20硬件电路如图3所示。

图3 DS18B20硬件电路

2.3 液位和雨量数据采集控制模块设计

本系统使用HC-SR04超声波传感器和JXB-3001-YL系列雨量传感器分别对水位高度和降雨量进行测量。HC-SR04超声波传感器测距原理：利用发射器与接收器计算发射到接收超声波的时间t，然后根据公式S=340t/2计算出与障碍物间的距离S。超声波指向性强，响应速度快，测量精度能够达到工业级要求，完全满足本系统水位监测的要求。JXB-3001-YL系列ABS雨量传感器是一款能够自动检测和存储参数的仪器，具有灵敏度高、功耗低、操作使用简单等特点，能够在野外环境下长期工作并记录雨量数据。另外，JXB-3001-YL系列雨量传感器与ZigBee模块采用RS 485通信方式，只需在两者之间增加一片MAX485低功耗收发芯片即可实现通信功能，便于数据处理控制单元根据传感器测量的水位和降雨量数据及时进行分析处理，确保水位处于平衡状态。HC-SR04超声波传感器和JXB-3001-YL系列雨量传感器硬件电路如图4、图5所示。

图4 HC-SR04超声波传感器硬件电路

图5 JXB-3001-YL系列雨量传感器硬件电路

2.4 水体浑浊度数据采集控制模块设计

水体浑浊度是衡量水体环境的重要指标之一。本系统使用的WAX-ZD浑浊度传感器由红外对管组成，当发射端光线穿过水体时，光线的透过量取决于水体的浑浊程度，水体越浑浊，透过的光就越少。接收端将透过的光强度转化为对应的电流，透过光越多，电流越大，反之则电流越小。同时，传感器将得到的电流信号转换为电压信号，通过ZigBee模块A/D采集通道便可以得到当前水体浑浊度数据。浑浊度传感器硬件电路如图6所示，浑浊度等级划分见表1所列。一旦传感器检测到水体浑浊度超过了预设的正常值，控制器便会启动排水/换水功能，以保持水环境的良好状态，同时用户也可以通过手机或者OLED屏通知相关人员进行间隔性手动换水。

图6 浑浊度传感器硬件电路

表1 浑浊度等级划分

2.5 水体含氧量数据采集控制模块设计

氧气是生物生存的重要环境因素之一，水体的含氧量受很多因素的影响，如：日照强度、生物数量、水体温度等，因此确保水体氧气含量正常，才能保证养殖物正常生长。本系统水体含氧量检测采用水质荧光法溶解氧传感器（JXSZ-1001-DOY），量程范围为0～20 mg/L，分辨率达0.02 mg/L，已被广泛用于火电、化工、食品和自来水等含氧量的检测。该传感器采用荧光法检测水中的含氧量，能够克服传统经典测量方法无法连续测量的缺点，可以连续监测数据并输出到协调器和控制器，一旦控制器得到的水体含氧量数据较低，控制器便会自动启动水体增氧单元（水泵）对水体补氧。解氧传感器硬件电路如图7所示。

图7 溶解氧传感器（JXSZ-1001-DOY）硬件电路

2.6 pH值数据采集控制模块设计

为了与浑浊度传感器互补，该系统增加了检测水体pH值传感器，pH值传感器弥补了浑浊度传感器无法测量水体可见条件下酸碱度的缺陷，浑浊度传感器则弥补了pH值传感器检测水体浑浊度的盲点。本系统pH值检测使用的是E-201-C可冲式pH值传感器，该传感器价格低廉，测量精度高，测量范围为0～14，使用前需校准，根据检测水体pH数值的不同，输出0～5 V或0～3 V模拟电压。ZigBee模块中的CC2530芯片自带ADC外设，可直接采集pH值传感器输出的模拟电压。pH值与电压值间的转换公式有如下两种情况。

情况一：输出电压在0～3 V的条件下，pH值与输出电压的关系见式（1）：

情况二：输出电压在0～5 V的条件下，pH值与输出电压的关系见式（2）：

ZigBee模块采集的传感器输出模拟电压根据转换公式计算得到水体pH值，并将数据传送给协调器与控制器，一旦pH值超标，控制器将会自动启动调节装置，将水体pH值控制在水生物生活的正常范围内。pH值传感器硬件电路如图8所示。

图8 pH值传感器硬件电路

2.7 其他控制模块设计

本系统除了上述主要功能模块外，还增加了夜光照明单元、消毒单元、清除淤泥单元、投食单元等，它们均受控制器控制，用户可以在控制器中定时启动相应单元工作，无需人员参与，实现系统的自动化工作流程；也可以通过手机/电脑或者OLED屏幕手动控制相应单元工作，实现人性化不定时工作。控制模块型号见表2所列。

表2 控制模块型号

3 系统软件流程设计

3.1 系统软件设计流程

针对基于物联网技术开发的智慧水产养殖系统软件开发部分的程序流程如图9所示。

图9 软件程序流程

3.2 系统主要的通信方式和程序设计函数

系统中主要用到的通信协议是串口通信，串口通信端口主要由2部分组成，即接收数据输入端（RX）和发送数据输出端（TX）。CC2530单片机提供了2个串行通信接口UART0和UART1，能够分别运行在异步UART工作模式和同步SPI工作模式，并且在串口接收数据或发送数据成功后，需要软件清除完成标志位，以下是该系统中的主要函数：

（1）串口数据发送函数：UartTXDatastring（unsigned char *TData，int Tlen）；

（2）串口数据接收函数：UartRXDatastring（unsigned char *RData，int Rlen）；

（3）ADC数据采集函数：int8 GetAdcData（void）；

（4）请求与协调器连接函数：uint8 ZMacActeReq（ZMacAciateReq_t *pData）。

4 结 语

本次研究设计的基于物联网技术智慧水产养殖系统，突破了传统水产养殖模式的桎梏，引入了更加智能化、自动化、专业化的现代养殖模式，不仅保证了水产品的生存环境，而且能够大大提高水产品的产量和品质。同时，随着智能数字化技术的引入，可实现大规模养殖生产。系统开发成本低，操作简单，人机交互良好，易维护，系统可二次开发，切合振兴乡村现代化养殖政策要求。